INGENIERÍA EN ENERGÍA – UNS
TERMODINÁMICA II
9. PROCESO DE COMBUSTIÓN
La gran mayoría de los procesos de generación de energía, implica la utilización de algunas fuentes de energía , las cuales al combustionarse producen reacciones químicas como es el caso de los hidrocarburos. Todo proceso de combustión implica necesariamente un cambio en la composición de las sustancias que intervienen en estos procesos por cuanto se tratan de reacciones químicas. Por lo que debemos ampliar las aplicaciones de las leyes de la termodinámica a estos procesos con reacciones químicas.
9.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES La combustión es el proceso térmico de mayor interés práctico por su escala de utilización mundial, siendo a la vez muy fácil de realizar y muy difícil de estudiar. En este capítulo se describen los elementos fundamentales del proceso de combustión (combustibles, comburentes y productos de combustión), se estudia el balance de materia de las reacciones químicas de combustión (estequiometría) y el balance de energía y entropía en combustiones en régimen estacionario y a volumen constante. El proceso de combustión se define como la reacción química exotérmica auto mantenida, que implica la oxidación de los componentes de los combustibles, los cuales tienen la capacidad de ser oxidados, lo que nos permite poder expresar este proceso a través de una ecuación química o ecuación de reacción. Sus aplicaciones se pueden resumir en: • Calefacción de habitáculos (hogueras, estufas, calderas), • Producción de electricidad (centrales térmicas), • Propulsión (motores alternativos, al ternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas), • Procesamiento de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción, secado), 207 Benites-Calderón-Escate
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• Eliminación de residuos (incineración de basura), • Producción de frío (frigoríficos de absorción), • Control de incendi os (barreras cortafuegos, materiales ignífugos), • Iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial). El proceso de combustión es el más importante en ingeniería porque todavía hoy, aunque tiende a disminuir (96 % en 1975, 90 % en 1985, 80% en 1995), la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, carbón y gas
natural (combustibles fósiles). Además, no sólo es importante
estudiar la combustión
controlada de los recursos primarios usados
en la
producción de trabajo y calor, sino que también es preciso estudiar los procesos de combustión incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos; además, cada vez es más importante analizar
la combustión controlada de
materiales de desecho (incineración), con el fin de minimizar la contaminación ambiental. La combustión (quemar algo) es un proceso tan fácil de realizar porque genera mucha entropía y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energía ordenada en los enlaces químicos pasa bruscamente a energía térmica (desordenada) de las partículas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea está integrado por mezclas reactivas (p.ej. el mobiliario o la vestimenta y el oxígeno del aire ambiente) en equilibrio meta estable, y a veces basta con forzar localmente la reacción (chispa) para que se auto propague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combustión es difícil de analizar por los siguientes motivos: • Es un proceso multidisciplinario (termoquímico - fluido dinámico) fuertemente acoplado, • Los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes, • La fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e importantes fuerzas de flotabilidad por dilatación diferencial, • Las enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio local (quimiluminiscencia, ionización). 208 Benites-Calderón-Escate
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El carácter multidisciplinario del proceso de combustión demanda un amplio soporte de ciencias básicas: • La Termodinámica, que enseña si el proceso es viable y predice la composición final, la energía liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio; • La Cinética química, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción, la velocidad de reacción, el por qué se producen radicales luminiscentes e ionizados, etc.; • La Transmisión de calor y de masa, que enseña cómo se difunden la energía térmica y las especies; y • La Mecánica de fluidos, que, con los datos de las anteriores, enseña a establecer los balances de flujos apropiados para permitir, al menos teóricamente, abordar la solución del problema.
COMBUSTIÓN: Es un proceso mediante el cual las sustancias (combustibles) capaces de reaccionar con el oxigeno (oxidante), interactúan con este generando calor. Entre las sustancias más comunes tenemos a los hidrocarburos, los cuales a través de la combustión son capaces de generar energía La reacción de combustión se resume de la siguiente manera:
Combustible
+
Comburente
=
Productos de combustión
La mayoría de reacciones de combustión tienen lugar entre combustibles fósiles y oxígeno del aire. A continuación se describen las características de cada uno de estos tres elementos.
COMBUSTIBLES Son todas las sustancias conocidas como hidrocarburos y estas pueden ser: carbones
minerales,
hidrocarburos
líquidos
e
hidrocarburos
gaseosos.
Fundamentalmente todos aquellos que tiene en su composición carbono e hidrogeno. Además, pueden tener cantidades variables de O, N, S, etc.
209 Benites-Calderón-Escate
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Los combustibles más empleados son los combustibles fósiles: carbón, derivados del petróleo (gasolina, fuelóleo, gases licuados del petróleo (GLP) (C3-C5)) y gas natural (H2, C1, C2).
COMBURENTE: EL AIRE El comburente más habitual es el oxígeno del aire, aunque en aplicaciones especiales puede ser necesario emplear aire enriquecido o incluso oxígeno puro (más caro). La composición del aire estándar se da en la Tabla 9.1: Tabla 9.1 – Composición estándar del aire. Aire
% en volumen Real Uso
% en peso Real Uso
Nitrógeno
78,03
79
75,45
76,8
Oxígeno
20,99
21
23,20
23,2
Argón
0,94
0
1,30
0
CO2
0,03
0
0,05
0
Otros
0,01
0
desprec.
0
Peso molecular (kg/kmol)
28,97
29
PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN Los productos mayoritarios de combustión son: • C → CO2 • H → H2O Para procesos de combustión incompleta: • C → CO • H → H2 (sólo si hay muy poco O2) Otros elementos: • N → N2 (a T↑: NO, NO2, N2O4, N2O5, … = NOx) • S → SO2 (→ SO3 → H2SO4, lluvia ácida) Una característica principal de estas reacciones es que la masa de cada elemento debe permanecer constante en todo el proceso, por lo que al aplicar un balance de masas se debe cumplir que: 210 Benites-Calderón-Escate
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"Las masas antes y después de la reacción deben permanecer constantes" La mayoría de las reacciones objetos de nuestro estudio son los que se derivan de los combustibles gaseosos y como oxidantes para estos combustibles son el oxigeno y el aire, siendo los principales productos el Dióxido de carbono (CO 2) y el agua (H2O). Las reacciones de combustión pueden ser: a). Reacción de Combustión Completa. - Este tipo de combustión tiene lugar cuando todo el carbono se ha transformado u oxidado en dióxido de carbono y todo el hidrógeno en agua. b). Reacción de Combustión lncompleta.- Es cuando no se ha transformado u oxidado todo el carbono o el hidrogeno, formándose el monóxido de carbono (CO) como principal indicador.
9.2 ESTEQUIOMETRIA DE LAS REACCIONES DE COMBUSTION Para una reacción química se debe tener en cuenta que: A los componentes iniciales en una reacción de combustión (combustible y
oxidante), también se les conoce como reactantes. A los números delante de los componentes, compuestos o elementos se les
denomina coeficientes estequiométricos. En la práctica representan el número de moles del componente.
A diferencia de la masa de cada componente, el número de moles de los mismos no necesariamente permanecen constantes .
En los productos de la combustión, el número de componentes, compuestos o elementos puede ser de uno.
E jemplos de Reacciones con Oxigeno: 1) Hidrogeno con oxigeno
1H2
+
½ O2
1 H2O
En el presente ejemplo se pueden observar todos los elementos o component es de la reacción de combustión correct amente balanceada para este caso . La misma puede ser entendida como:
1 Kmol de H 2 reacciona con ½ Kmol de oxigeno para formar 1 Kmol de agua. 211
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1 mol de H 2 reacciona con ½ mol de oxigeno para formar 1 mol de agua.
1 x 2 kg. de H 2 reacciona con 1/2 x 32 Kg. de oxigeno para formar 1 x 18 kg. de agua. Es decir: 2 Kg. H 2 +
16
Kg.
02
18 Kg. de Reactantes
18
=
Kg. H 20
18 Kg. de productos
2) Metano con oxigeno
Su ecuación correctamente balanceada será: CH 4
20 2
+
CO2
+
2H 20
1 Kmol de metano con 2 Kmol de oxigeno, forman 1 Kmol de dióxido de carbono
y
2 Kmol de agua.
3) Carbono con oxigeno
Su ecuación balanceada será:
C
+ O2
CO2
1 Kmol de carbono con 1 Kmol de oxigeno, forman 1 Kmol de dióxido de carbono.
En la práctica como oxidante, se utiliza normalmente aire, en el cual dentro de su composición contiene oxigeno. L a composición del aire seco es: 21 % de oxigeno (O2 ), 78% de nitrógeno (N 2) y 1% de argón y otros gases; sin embargo en los cálculos de combustión donde interviene el aire, es común considerar a todos los componentes diferentes del oxigeno junto con el nitrógeno, siendo la composición molar del aire de 21 % de Oxigeno y 79 % de Nitrógeno, por consiguiente: 21 mol de O2 + 1 mol de O2
+
79 mol de N2
100 mol de Aire
3,76 mol de N2
4,76 mol de Aire
Al utilizar aire seco, se conoce exactamente que el nitrógeno diatómico a temperaturas normales es un elemento estable y no reacciona químicamente con otros elementos . Para el estudio que nosotros realizamos debemos considerar esta condición en todas las reacciones a que hubiera lugar a menos que se indique lo contrario. Cuando la combustión se realiza con aire húmedo 212 Benites-Calderón-Escate
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hay que considerar en la ecuación al vapor de agua presente. Se supondrá también que el nitrógeno presente en el aire de combustión no reacciona, es decir el nitrógeno se considera inerte. Sin embargo el nitrógeno a temperaturas altas que se llegan con las llamas, forma con el oxigeno oxido nítrico (NO) y a temperaturas inferiores dióxido de Nitrógeno (NO 2).
Ejemplo de Reacciones con Aire: 4) Carbono con Aire
Su ecuación correctamente balanceada será: C C
+ +
Aire
(O2 + 3,76 N 2)
CO2 + 3,76 N 2 CO2 + 3,76 N 2
1 mol de Carbono con 4,76 moles de Aire, forman 1 mol de dióxido de carbono
y
3.76 moles de nitrógeno. 5) Metano con aire
Su ecuación cor re ctamente balanceada será: CH 4
+
CO2 + 2H 2O + 7 ,52 N 2
Aire
CH 4 + 2 (O 2 + 3,76 N 2 )
CO2 + 2 H 2O + 7 ,52 N 2
1 mol de metano con 2 moles de Aire, forman 1 mol de Dióxido de carbono, 2 moles de agua
y
7,52 moles de nitrógeno.
6) Hidrogeno con Aire
Su ecuación correctamente balanceada será:
1H 2 +
½ Aire
1H 2 + ½ (O2 + 3,76 N 2 )
H 2 O + 1,88 N 2 H 2 O + 1,88 N 2
1 mol de metano con ½ *(4,76) mol de Aire, forman 1 mol de agua y 1,88 mol de nitrógeno.
Para todos los ejemplos mencionados, se cumple que la masa de los reactantes es igual a la masa de los productos, pero no para el número de moles de los reactantes y de los productos. 213 Benites-Calderón-Escate
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Reacción Estequiométrica o Teórica: Esta r eacción tiene lugar cuando ocur r e una combustión completa, sin exceso de aire (Oxigeno). Es decir una reacción con la cantidad mínima de aire (oxigeno), capaz de producir una combustión completa. Por consiguiente no debe aparecer oxígeno sobr ante en los productos de la combustión.
9.3 AIRE TEORICO Si la reacción teórica es la reacción de combustión total, pasando todo el C a CO 2 y H a H2O, y la cual es una característica del combustible, independiente del proceso de combustión posterior; entonces,
Aire Teórico o Estequiométrico: Cantidad mínima de aire que proporciona el oxigeno necesario para que se produzca una combustión completa.
7) Determinar la cantidad de aire teórico necesario para la combustión completa del octano. Solución: a.
La formula química del octano es: C 8 H 18
b.
La combustión es completa por lo tanto:
Todo el carbono formara dióxido de carbono con el oxigeno
Todo el hidrogeno formara agua con el oxigeno
No habrá exceso de Oxigeno
El nitrógeno es neutro
c. La ecuación Estequiométrica o teórica tendrá la siguiente estructura: C 8 H 18 + A (O 2 +3,76 N 2 ) d.
B CO2 + E H 2O + D N 2
Aplicando el principio de conservación de la masa a los componentes, antes y después
de
la
reacción,
determinamos
el
valor
de
los
coeficientes
estequiométricos:
Para el Carbono:
1 * 8 = B*1
B=8
Para el Hidrogeno :
1 * 18 = E*2
E=9
Para el Oxigeno:
A*2=B*2+E
A = 12,5 214
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Para el Nitrógeno:
A * 3,76 * 2 = D * 2
D = 47
e. La ecuación Estequiométrica correcta será: C 8H 18 + 12,5 (O 2 +3,76 N 2 )
8 CO2 + 9 H 2 O + 47 N 2
Por lo tanto la cantidad de aire teórico necesario para esta reacción en moles es : 12,5 (1+3,76)= 59,5 mol. 8) Determinar la reacción teórica de combustión con aire de un carbón de composición centesimal (en peso): 81,7% C; 4,7% H; 1,5% N; 6,5% O; 0,7% S; 2,4% agua; resto inerte. Solución Planteamos como base de cálculo 100 kg de carbón. Tomaremos pesos moleculares redondeados: C=12, H=1, N=14, O=16, S=32. La reacción se plantea en moles (no se consideran los inertes): [(81,7/12) C + (4,7/1) H + (1,5/14) N + (6,5/16) O + (0,7/32) S + (2,4/18) H 2O] A (0,21 O2+ 0,79 N 2)
+
b CO2 + c H2O + d N 2 + e SO 2
Los coeficientes estequiométricos a, b, c y d se calculan por balance de las especies atómicas C, H, O, N y S: - Balance C:
81,7/12 = b
⇒ b =6,808 kmol CO2 = 299,6 kg CO 2/100 kg carbón
- Balance H 2: 4,7/2 + 2,4/18 = c ⇒ c = 2,483 kmol H 2O = 44,69 kg H 2O/100 kg carbón - Balance S:
0,7/32 = e
⇒ e = 0,0219 kmol SO 2 = 1,40 kg SO 2/100 kg carbón
- Balance O 2: (6,5/16)/2 + (2,4/18)/2 + 0,21A = b + c/2 + e
⇒ A=37,152 kmol aire =
1077,4 kg aire/100 kg de carbón - Balance N 2: (1,4/14)/2 + 0,79A =d ⇒ d =29,404 kmol N 2=823,3 kg N 2/100 kg carbon
Reacción Real La reacción real es una característica del proceso de combustión, que se recoge en una ecuación el balance de materia. a [CuHvOwNxSy] + b [O 2] + 3,76 b [N 2] + c [humedad] + d [impurezas]
=
e [CO 2] +
f [H2O] + g [O2] + h [H2] + i [CO] + j [SO 2] + k [NO] + l [NO 2] + m [cenizas] + a PCI 215 Benites-Calderón-Escate
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Poder calorífico inferior: PCI Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de volumen de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua generado en la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor. Es el valor que interesa en los usos industriales.
Poder calorífico superior: PCS Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de volumen de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, el calor desprendido en este cambio de fase. El poder calorífico de una muestra de combustible se mide en una bomba calorimétrica.
9.3 PARÁMETROS PARA DESCRIBIR LA ESTEQUIOMETRÍA En un proceso de combustión frecuentemente no solo es necesario conocer la cantidad de aire, sino también la cantidad de combustible, por lo que es común para cuantificarlos hacer uso de la relación Aire-Combustible o de su inverso Combustible Aire. Ai re - Combustible (AC). Es la relación entre la cantidad de aire y la cantidad de combust ib le que participan en una reacción de combustión. Esta puede ser expresada en base molar o base másica.
Teniendo en cuenta que, la masa es igual al numero de moles multiplicado por el peso o masa molecular ( m = n * M ), podemos escribir la relación siguiente:
216 Benites-Calderón-Escate
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9). Para el ejemplo 7 determinar la relación aire-combustible. Solución: a. De la solución anterior, se sabe que el número de moles de aire necesario para la combustión del octano es 59,5. b. El número de moles de combustible de la misma ecuación es igual a 1. c. La relación será:
Combustible - Aire (CA). Es la definición inversa de AC
En la práctica normalmente el aire que se suministra para las reacciones de combustión no coincide con el aire te órico o estequiométrico calculado , si no que exceden a este en unos casos y son menores en otros. La cantidad de aire suministrado se expresa en relación al aire teórico , si se suministra mas aire que el teórico, se refiere a un exceso de aire y si es menor que el teórico, se refiere a un defecto de aire . En un proceso de combustión, a pesar que puede haber un exceso de aire , no siempre se produce una combustión completa y entre los productos de la combustión se puede encontrar muchas veces cierta cant idad de monóxido de carbono (CO). Cantidad que depende de muchos factores, como : la agitación, la turbulencia, mezcla incompleta, tiempo insuficiente, etc. Si la cantidad de aire suministrado en la combustión es relati vamente menor al aire teórico, la combustión ser á incompleta, por consiguiente en los productos de la combustión aparecen necesariamente monó xido de carbono, por cuanto el carbono se unirá al oxígeno para formarlo, en vez de formar dióxido de car bono. 217 Benites-Calderón-Escate
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Si la cantidad de aire suministrado es bastante menor al teórico, entre los productos de la combustión encontraremos aparte del monóxido de carbono, algunos hidrocarburos. Esto indica que no todo el combustible a combustionado. Razón de Equivalencia :
( Ψ ) ( psi )
Esta definida por la relación entre la cantidad air e-
combustible teórico y la cantidad de aire-combustible real o por su inverso.
Ψ
Cuando hay exceso de oxidante: Ψ < 1 y se denomina mezcla pobre.
Con defecto de oxidante: Ψ > 1 y se denomina mezcla rica.
Este término es convenientemente usado, cuando se refiere a motores de ignición forzada, al encendido por compresión y al que mador de turbina a gas. 10) Determinar la relación aire-combustible , para una combustión completa del metano en base molar y másica en las siguientes condiciones: Con la cantidad teórica del aire.
Con un exceso de 40 % de aire, determinar
ψ
Con un defecto de 20 % de aire, determinar
ψ
Solución: a. La formula química del metano es: CH 4 b. La combustión es completa por lo tanto:
Todo el carbono formara dióxido de carbono con el oxigeno
Todo el hidrogeno formara agua con el oxigeno
No habrá exceso de Oxigeno, por 1 mol de O 2 hay 3,76 de N 2.
El nitrógeno es neutro
c. . La ecuación Estequiométrica o teórica tendrá la siguiente estructura: CH 4 + A (0 2 +3,76 N 2 )
B CO2 + E H 20 + D N 2
d. Aplicando el principio de conservación de la masa a los componentes , antes y después
de
la
reacción,
determinamos
el
valor
de
los
coeficientes
estequiométricos:
Para el Carbono
1*1=B*1
⇒
B=1
Para el Hidrogeno : 1 * 4 = E * 2
⇒
E=2 218
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⇒
Para el Oxigeno
A * 2 = B*2 + E
Para el Nitrógeno:
A * 3,76 * 2 = D * 2
A =2
⇒
D = 7,52
e. La ecuación Estequiométr ica correcta será: CH 4 + 2 (O 2 +3,76 N 2 )
CO2 + 2 H 20 + 7,52 N 2
f. La cantidad de aire teór ico necesar io para esta r eacción en mol es: 2 * (1 +3,76) = 9,52 mol. g. La r elación aire - combustible teórica será:
h. Con un exceso del 40 % de air e, implica un 140 % o 1,4 del aire teórico. Esto quiere decir que habr á un excedente de oxigeno y nitrógeno en un 40 % en r elación a la ecuación anterior . Balanceando nuevamente tenemos: CH 4 + 1,4 * 2 (O 2 +3,76 N 2 )
CO2 + 2 H 2O + 1,4 * 7 ,52 N 2 + 0,4 * 2 O 2
CH 4 + 1,4 * 2 (O 2 +3,76 N 2 )
CO2 + 2 H 2O + 10,528 N 2 +0,8 O2
i. Cuando se trata de un 20 % por defecto de aire, es lo mismo que un 80 % del aire teórico. Resolviendo la ecuación y considerando que aho r a debe apar ecer en los pr oductos monóxido de carbono por tratar se de una combustión incomp leta, tenemos CH 4 + 0,8 * 2 (O 2 +3,76 N 2 )
0,2 CO2 + 2 H 2O + 6,016 N 2 + 0,8 CO 219
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11) Para el problema anterior con un 40 % de aire en exceso, determinar el volumen de aire seco necesario por Kg. y por Kmol de combustible, si la temperatura del aire es 27 °C y 0,98 bar de presión.
Solución: a. El aire a esta temperatura y presión se comporta como gas ideal, por lo tanto el volumen especifico se determina por la ecuación de los gases ideales:
b.
El volumen de aire necesario por kilogramo de combustible será:
c. El volumen de aire necesario por kmol de combustible, se calcula como:
Hasta el momento solo se ha visto la reacción química del proceso de combustión, sin embargo es bastante importante tener en cuenta que pueden existir dis tintas fases en el proceso. Uno de los componentes es el vapor de agua en los productos , pero el mismo tiene una presión parcial, que si es mayor a la presión de saturación del agua a determinada temperatura esta se condensara, por cuanto la temperatura será me nor a la temperatura de rocío. La presencia de gotas de agua , garantiza por lo menos problemas de corrosión. 220 Benites-Calderón-Escate
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12) Para el caso del 40 % de exceso de aire del problema 10, para una presión de 98 Kpa., determinar: a) El análisis molar de los gases producto. b) La temperatura de rocío de la mezcla gaseosa en grados Celsius c) EI porcentaje de ag ua f or mada que se condensa si los gases producto se enfrían hasta 20 °C. Solución: a) La ecuación de combustión correspondiente, de acuerdo a la solución anterior es: CH 4 + 1,4 * 2 (O 2 +3,76 N 2 )
CO2 + 2 H 2O + 10,528 N 2 +0,8 O2
El numero total de moles en los productos es: 1+2+10,52+0,8 = 14 ,32
La fracción molar de cada componente:
b) La presión parcial del vapor de agua
A esta presión de saturación la temperatura de saturación de acuerdo a las tablas aproximadamente es 52
°C. Es decir enfriando a presión constante alcanzamos
esta temperatura que corresponde a la de rocío . c) De lo anterior la temperatura de rocío es de 52°C, por lo que habrá condensación al enfr iar los gases hasta 20 °C. A 20°C la presión de saturación es 2 ,3385 Kpa y es igual a la presión parcial de l vapor de agua. Si en este punto llamamos "G" al numero de moles de vapor de agua que todavía queda en la mezcla , además la mezcla tiene compor tamiento ideal, tenemos:
221 Benites-Calderón-Escate
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Es decir el número de moles del vapor de agua a variado desde 2 hasta 0 ,3026, por lo que el porcentaje de agua condensada será:
Comúnmente, se conoce muy bien la cantidad de combustible que participa en u n proceso de combustión, lo que si representa una dificultad, por lo q ue es bastante difícil conocer con exactitud la cantidad de oxigeno que participa e n este proceso. En la pr áctica se realiza un análisis de los gases producto , a partir del cual se puede obtener la información necesaria, la misma que nos permite determinar la ecuación de reacción del proceso. El análisis, de los productos de la combustión se realiza por medio de equipos denominados analizadores de gases. Este análisis puede ser en base seca o húmeda. En base seca no se da el porcentaje de vapor de agua prese nte en la mezcla gaseosa. El analizador de gases de ORSAT, es un equipo de medición típica que nos da el análisis completo de los resultados en base seca. 13) Se quema octano con aire seco y el análisis volumétrico de los productos en base seca arroja el siguiente resultado: 10,39% de CO 2, 4,45% de O 2 y 1,48% de CO. Determinar: la relación aire-combustible y el tanto por ciento de aire empleado respecto al teórico. Solución: a) De acuerdo al pr oblema no conocemos, realmente la cantidad de combustible que par ticipa, por lo que supondremos una cantidad "N c". Como no hay ninguna indicación se considera octano en estado gaseoso. b) Según el análisis, no nos dan la fracción volumétr ica del vapor de agua, ni la del nitrógeno, pero encontramos presencia de CO, por lo que la reacción es incompleta. Teniendo
en
cuenta
esto ,
la
ecuación
de
combustión
correspondiente tendrá la forma siguiente : N c C 8 H 18 + A (O 2 +3,76 N 2 )
B CO2 + E H 2O F CO + G O 2 + D N 2 + 222
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c) Considerando Np = B+E+D+F+G y de acuerdo al análisis volumétrico:
d) Aplicando balance a la ecuación:
Para el Car bono:
8 Nc
Para el Hidrogeno: 18 N C = E * 2
Para el Oxigeno : A*2 = B * 2 + E + F + 2G
==
B + F= 0,1187Np
⇒
Nc= 0,0148 Np
⇒ E = 9 Nc = 0,1335 Np
2*A = 2 * 0,1039 Np + 0,1335 Np + 0,0148 Np + 2 * 0,0445 Np A = 0,2226 Np
Para el Nitrógeno: A * 3,76 * 2 = D * 2
⇒ D = 3,76 A = 0,8369 Np
e) Remplazando los coeficientes respectivamente y dividiéndolo a cada uno por el número de moles de combustible "0,0148N p", se obtiene la ecuación de reacción: C 8H 18 + 15,04 (O2 + 3,76 N 2 )
7,02 CO2 + 9,02 H 20 ,55 N 2 +CO + 3,01 0 2 + 56
La relación aire combustible será:
f). La ecuación teórica balanceada es : C 8H 18 + 12,5 (O2 + 3,76 N 2 )
8 CO2 + 9 H 2 0 + 47 N 2 +CO
El porcentaje de aire empleado respecto al teórico es:
223
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